量子信息研究獲諾獎！我國該領(lǐng)域領(lǐng)軍人物潘建偉院士曾這樣解釋量子通訊

量子信息領(lǐng)域研究獲得2022年諾貝爾物理學獎。量子糾纏是什么？量子通訊有何特別？來看我國該領(lǐng)域領(lǐng)軍人物潘建偉院士的解讀。

北京時間10月4日下午，瑞典皇家科學院宣布，法國科學家阿蘭·阿斯佩 (Alain Aspect)、美國科學家約翰·克勞澤 (John Clauser) 、奧地利科學家安東·塞林格 (Anton Zeilinger) 分享2022年諾貝爾物理學獎，以表彰他們?yōu)榧m纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創(chuàng)性的量子信息科學所作出的貢獻。

值得注意的是，來自奧地利的這位科學家是中國科學技術(shù)大學潘建偉院士的博士研究生導師。潘建偉是我們量子科技領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。2016年1月，潘建偉及其團隊的“多光子糾纏及干涉度量”研究，獲得中國科學技術(shù)領(lǐng)域的最高獎項——國家自然科學一等獎。

2016年1月16日，剛剛獲得2015年度國家自然科學獎一等獎的潘建偉教授帶來了有關(guān)量子通訊與信息安全的精彩演講。在此，讓我們一起回顧這場演講，感受量子科技的魅力。

▲潘建偉在進行《神話、哲學、互聯(lián)網(wǎng)與未來》的主題演講。

? 以下為潘建偉演講整理稿：

整理/白竟楠

非常高興能到這里跟大家分享一下我的思考和理解，我今天報告的題目叫：神話、哲學、互聯(lián)網(wǎng)與未來，有點像大雜燴。

1.信息交互和隱私促進人類文明

前一陣（2015年12月）我正好在烏鎮(zhèn)參加了互聯(lián)網(wǎng)的大會，會議中我忽然有這么一個理解，我們其實在古時候同時期存在著兩種文學，一種叫做碩壯直立人，其實碩壯直立人已經(jīng)開始使用工具了，而且它的腦容量也挺大。而且還有另外一個同時存在的直立人，相對的來說它沒有碩壯直立人那么強壯，但是它有發(fā)明的符號與基本的語言，就可以很好的來進行交流。正因為這個原因，它經(jīng)過慢慢的進化就成為我們現(xiàn)代人的祖先。

▲演講PPT截圖

所以說某種意義上來講，那個時候就已經(jīng)有一種信息的交互，如果我們不太較真兒的話，可以把它叫做互聯(lián)網(wǎng)的雛形。我的理解是，這樣的信息交互在直立人在進化的過程中起到了關(guān)鍵的作用。

那么，我覺得互聯(lián)網(wǎng)始終伴隨一個問題，就是所謂的隱私。有隱私的保護之后，我們才能保證我們思想的自由和多樣性，才能百家爭鳴，所以我覺得在人類文明的進化過程當中，是跟信息交互和隱私兩者緊密結(jié)合的。

2.通訊手段實現(xiàn)“千里眼、順風耳”

在西游記中，真正吸引人的是美猴王孫悟空，孫悟空有幾個功能，第一功能它就是它毫毛一拔，往到處一扔它就有一種分身術(shù)，有好多孫悟空同時可以在北京、上海各個地方開講，這樣的話我們的論壇就更加有效。還有另外一種非常強大的功能，它有一個筋斗云，翻一個筋斗就可以從一個地方消失在非常遙遠的地方出現(xiàn)。還有兩個很有名的神仙，叫“順風耳”和“千里眼”，能聽到、看到很遠的地方。

▲演講PPT截圖

那么，這些東西在我們現(xiàn)實生活當中到底能不能實現(xiàn)？大家都知道，這得益于電動力學。有無線電的通訊之后，其實在1888年的時候赫茲在在德國的一個小鎮(zhèn)做了一個實驗來驗證電磁波是不是存在，線圈在抖動的時候里面加有電流可以傳到遠方，按道理他計算就會發(fā)生電火花，但因為他這兩個實驗室本來是兩個不同的房間，所以他搖完以后趕緊跑到隔壁的房間看，什么也沒有看到。我多年前到那個地方看，他后來把那個墻給拆掉了，然后這邊一抖那邊即時的電火花就發(fā)生了，因為無線電波是以光速傳遞的，太快了，因為他怎么跑還是跑不過無線電。

有這些東西的發(fā)明之后，后來有電話，然后有電視機，到現(xiàn)在我們可以用到我們的手機，都可以實現(xiàn)千里眼、順風耳的功能。

從口口相傳到互聯(lián)網(wǎng)，整個地球變成一個村，信息的交互已經(jīng)并將一直伴隨著我們?nèi)祟惖倪M化和社會的發(fā)展，那這里面有兩個永恒的主題：如何來加強信息的交互的效率；如何加強隱私的保護。

3.量子力學讓"孫悟空"變成現(xiàn)實

大家經(jīng)常在問，我們怎樣來發(fā)展未來的計算機，能夠很好的來解決我們?nèi)祟惖挠嬎隳芰Φ臒o限的需求？信息終端、服務器、網(wǎng)絡都有可能存在著竊聽或被黑客的攻擊的問題，那么一種解決方法就可以用來就是超級的計算機來進行加密，但是隨著計算能力的增加，原來的路線非常有效的加密算法也都已經(jīng)被破解了。那么大家希望能夠建立下一代的標準密碼，但非常不幸的是這些標準密碼還沒有投入使用又被發(fā)現(xiàn)是不安全的，怎么辦？量子力學在近百年的發(fā)展過程中，已經(jīng)為解決這些重大問題做好準備了。

▲演講PPT截圖

具體的來說，孫悟空的兩個功能的實現(xiàn)，就得益于量子力學的建立。比如說，我要么在上海做報告，要么在北京做報告，我不可能同時在兩個地方，這經(jīng)典世界告訴我們的，我們只能在某一個地方。但是到量子世界去，作為一個微觀的客體，它就不僅可以在這里，也可以在那里，它可以同時在好多個地方，這是什么意思呢？

就是說，如果說你沒在看這個客體到底處于哪個位置的時候，某些特殊情況時它可以同時處于兩個位置。并且量子力學的未知的狀態(tài)是測不準的，這就是說，量子是不穩(wěn)定的。

那么，另一個問題，什么是量子糾纏態(tài)呢？比如說我到北京來，我送給朋友一個篩子，我已經(jīng)事先做好了，他的篩子和我的篩子就屬于糾纏態(tài)，我回到上海后讓朋友隨機擲篩子，但每次我都能夠猜出來他擲出的數(shù)字，我們把這稱為遙遠地點之間的軌跡互動。2015年這種現(xiàn)象在物理的角度基本被確證，只剩下一個很小的漏洞，這個是我們后面要做的事情。

4.讓“穿越”變成現(xiàn)實

到現(xiàn)在可以說，一個新的科學誕生了，可以用它來保證理論上無條件的安全通訊，我們的隱私就能保證。

其實還有另外一件有利的事，就是利用量子糾纏。比如說我本來在上海的航班給誤了，但要在幾分鐘之內(nèi)要到北京，那怎么辦呢？我坐飛機肯定不行了，但是如果北京跟上海之間有兩條糾纏物質(zhì)的話，就可以通過無線電臺把“我”發(fā)射到北京，到了北京之后可以對糾纏物質(zhì)再做一種正變化，那么我就可以用同樣多的物質(zhì)重構(gòu)出來，那么這樣一種過程我們就可以把它叫做量子世界的筋斗云。

當然，要傳輸人，傳輸客體，這種比較復雜的客體還需要很長的時間。如果能在網(wǎng)絡里面“走來走去”，這就是多體多終端多自由度的量子隱形傳態(tài)，它能夠構(gòu)成一種分布式的量子信息處理單元，那么信息在這其中“跑來跑去”，利用這樣的過程我們就可以來構(gòu)建一種量子計算。

比如說要求解一個10的24次方的變量的方程，用目前最快的“天和2號”大概需要100年左右的時間，那么利用萬億次的計算，它盡管計算的頻率比天和2號要慢1萬次，但它只需要0.01秒就可以把這個方程求解出來了，所以它可以廣泛的應用于藥物設計，金融分析，氣象預報，密碼分析等等，用途十分廣泛。

那么當然我們也可以直接用于對物理問題的研究，因為物理問題的研究更加直接，它也需要一個非常強大的計算能力。如果有這樣一個理論，我們就可以利用量子通訊來構(gòu)建一個非常好的“天地一體化”的網(wǎng)絡，例如城際網(wǎng)，有這樣的網(wǎng)絡之后就可以比較好的保證我們的這一個網(wǎng)絡的安全。

5.量子計算在不久的將來成為現(xiàn)實

目前我們正在做一些事情，我們今年（2016年）在開封、北京到上海之間建設了天虹干線，我們今年（2016年）也會發(fā)射一顆量子衛(wèi)星，量子衛(wèi)星除了來做量子通訊之外還可以檢驗一下剛才所講到的遙遠地點之間的軌跡互動，這是我們接下來再量子通訊方面準備做的事情。

▲演講PPT截圖

另外，在量子計算方面還需要向前走，我們已經(jīng)有一個比較好的目標了，大概會在10年左右的時間實現(xiàn)50個量子比特的這么操縱，有了這樣的操縱之后，它的計算能力大概可以達到天和2號的數(shù)千倍左右。我覺得，量子計算也會在不久的將來能夠成為一個現(xiàn)實。

總體上來講，希望能夠通過對量子通訊的研究和對量子計算的研究，對未來的互聯(lián)網(wǎng)或者人類的發(fā)展提供一種更加有效、更加安全的一種方式，那就是我今天想跟大家分享的一些想法，謝謝大家！

注：整理自2016年1月16日《北京聽道講壇》

延伸閱讀

“多光子糾纏及干涉度量學”是啥